Digital einstellbarer Quarzoszillator mit monolithisch integrierter Oszillatorschaltung

Abstract

 Die Erfindung betrifft einen digital einstellbaren Quarzoszillator mit einer monolithisch integrierten Oszillatorschaltung 2, die eine zu dem Schwingquarz parallel geschaltete Serienschaltung mit einer ersten und einer zweiten Frequenzeinstellkapazität C1, C2, die jeweils zueinander parallelgeschaltete erste und zweite Kapazitätsstufen C_1i, C_2i umfassen, und eine zu dem Schwingquarz 1 parallelgeschaltete Inverterschaltung mit einem parallelgeschalteten Rückkopplungswiderstand R_K und einem hinter ihren Ausgang geschalteten Widerstand R enthält, wobei die Inverterschaltung zueinander parallelgeschaltete Inverterstufen umfaßt, und Schaltelemente S_1i, S_2i, p_2i, n_2i derart vorgesehen sind, daß jeweils eine Inverterstufe und eine erste und eine zweite Kapazitätsstufe C_1i, C_2i mit einem Steuersignal I_i gleichzeitig zu- bzw. abschaltbar sind.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft einen digital einstellbaren Quarzoszillator mit einer monolithisch integrierten Oszillatorschaltung, die eine zu dem Schwingquarz parallel geschaltete Serienschaltung mit einer ersten und einer zweiten Frequenzeinstellkapazität C1, C2, von denen zumindest eine digital schaltbar ist, und eine zu dem Schwingquarz parallelgeschaltete Inverterschaltung mit einem parallelgeschalteten Rückkopplungswiderstand R_K und einem hinter den Ausgang der Inverterschaltung geschalteten Widerstand R enthält.

[0002] Ein derartiger Quarzoszillator, der in einer Parallelresonanzschaltung betrieben wird, ist aus "Entwurf von Quarzoszillatoren", Bernd Neubig, UKW-Berichte 19 (1979), Heft 2 und 3 bekannt. Es handelt sich dabei um einen Pierce-Oszillator. Dieser kann dazu verwendet werden, für eine integrierte Schaltung eine stabile Frequenz zur Verfügung zu stellen, die durch die schaltbare Frequenzeinstellkapazität in einem geringen Bereich veränderbar ist. Hierbei wird die hohe Güte des Quarzes, seine geringe Alterung und Temperaturdrift und die hohe Herstellungsgenauigkeit dazu ausgenutzt, stabile Frequenzen zu erzeugen. Über eine Regelschleife (PLL-phase locked loop) kann durch Schalten der Kapazitäten eine Synchronisierung des Quarzoszillators mit einer vorgegebenen Frequenz durchgeführt werden. Der Rückkopplungswiderstand R_K ist hochohmig und dient dazu, den Arbeitspunkt der Inverterschaltung einzustellen. Der Widerstand R hinter dem Ausgang der Inverterschaltung wird so dimensioniert, daß er für eine konstante Amplitude des Oszillators sorgt. Er ist von der Transkonduktanz der Inverterschaltung und der Größe der Frequenzeinstellkapazitäten C1, C2 abhängig.

[0003] Nachteilig an dieser Oszillatorschaltung ist, daß Frequenzänderungen nur in geringem Maße möglich sind. Denn mit der Frequenzänderung, d.h. mit der Änderung der Frequenzeinstellkapazitäten C1, C2 ändern sich die Bedingungen für eine stabile Schwingung des Quarzoszillators, insbesondere für stabile Frequenz und stabile Amplitude. Es ändern sich sowohl die Anforderungen an die Transkonduktanz der Inverterschaltung als auch an den hinter ihren Ausgang geschalteten Widerstand R.

[0004] Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Oszillatorschaltung zu schaffen, mit der eine Frequenzänderung in einem größeren Bereich möglich ist.

[0005] Diese Aufgabe wird durch einen gattungsgemäßen Quarzoszillator gelöst, bei dem die Inverterschaltung zueinander parallelgeschaltete Inverterstufen, die erste Kapazität zueinander parallel geschaltete Kapazitätsstufen und die zweite Kapazität C1, C2 jeweils zueinander parallelgeschaltete zweite Kapazitätsstufen umfaßt, und Schaltelemente derart vorgesehen sind, daß jeweils eine Inverterstufe und eine erste und eine zweite Kapazitätsstufe mit einem Steuersignal gleichzeitig an- bzw. abschaltbar sind.

[0006] Da bei dem erfindungsgemäßen Oszillator mit dem Hinzunehmen bzw. Wegschalten der Kapazitätsstufen, welche die Frequenzänderung bedingen, gleichzeitig eine Inverterstufe hinzugefügt bzw. weggeschaltet wird, wird mit der Frequenzänderung die Transkonduktanz an die geänderte Frequenz angepaßt. Somit ist eine stabile Schwingung des Quarzoszillators über einen weiteren Frequenzbereich möglich.

[0007] Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung enthält eine Inverterstufe jeweils zwei in Reihe geschalte, jeweils mit einem festen Potential verbundene Verstärkertransistoren von entgegengesetztem Leitfähigkeitstyp, mit denen jeweils ein als Schaltelement wirkender Schalttransistor des gleichen Leitfähigkeitstyps in Reihe geschaltet ist. Die erste Kapazitätsstufe ist jeweils über ein Schaltelement mit den Gate-Elektroden der Verstärkertransistoren verbunden. Die zweite Kapazitätsstufe ist jeweils über ein zweites Schaltelement mit dem Widerstand R verbunden. Der Widerstand R ist dabei abhängig von der Größe der Transkonduktanz der Inverterstufe so gewählt, daß eine konstante Amplitude der Oszillatorschwingung erreicht wird. Die Transkonduktanz der Inverterstufe wird durch die Dimensionierung der Verstärkertransistoren bestimmt. Es ist vorteilhaft, die Verstärkertransistoren und die Schalttransistoren als CMOS-Transistoren auszubilden.

[0008] Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist in den Inverterstufen jeweils in Reihe mit dem Verstärkertransistor und dem Schalttransistor eines Leitfähigkeitstyps ein weiterer Testschalttransistor des gleichen Leitfähigkeitstyps geschaltet, und eine Testsignalquelle ist derart angeordnet, daß mit einem von dieser gelieferten Testsignal die Schalttransistoren in den leitenden oder nichtleitenden Zustand schaltbar sind, und gleichzeitig der Rückkopplungswiderstand R_K über Testschältmittel zu- oder abschaltbar ist. Hierdurch wird erreicht, daß der Quarzoszillator mit dem Testsignal wahlweise in einen Normalzustand, in dem der Quarzoszillator schwingt, und in einen Testzustand geschaltet werden kann. Für den Normalzustand werden die Testchalttransistoren von dem Testsignal in den leitenden Zustand geschaltet, und der Rückkopplungswiderstand wird hinzugeschaltet, so daß der Quarzoszillator auf seiner Resonanzfrequenz schwingt. Für den Testzustand werden die Schalttransistoren mit dem Testsignal in den nichtleitenden Zustand geschaltet, und der Rückkopplungswiderstand wird abgeschaltet. Hierdurch wird die jeweilige Inverterstufe stromlos, und die Rückkopplung wird unterbrochen. In diesem Zustand können die Kapazitäten der verschiedenen Inverterstufen über die dazugehörigen Schaltelemente eingeschaltet werden. In dem Testzustand ist es möglich, die Leckströme der Kapazitäten der Inverterstufen zu messen. Dies ist nur im Testzustand möglich, da die Kapazitäten im Normalzustand jeweils über den Widerstand R an den Ausgang der Kaskodenstufen der jeweiligen Inverterstufe angeschlossen sind. Zudem erfolgt diese Verbindung über den Rückkopplungszweig mit dem Kopplungswiderstand R_K, so daß der Strom in der gesamten Oszillatorschaltung fließen würde. Dadurch, daß getestet werden kann, ob die Kondensatoren Leckströme aufweisen oder nicht, wird es möglich, in dem Testzustand festzustellen, ob der Quarzoszillator den von Anwender und Hersteller vorgegebenen Anforderungen genügt. Für viele Anwendungen ist eine Leckstromfreiheit auf Dauer erforderlich. Somit können aufgrund der Untersuchungen im Testzustand die den Anforderungen genügenden bzw. nicht genügenden Oszillatorschaltungen bestimmt und aussortiert werden. Die Leckströme können insbesondere durch schlechte Oxideigenschaften des Oxids zwischen den Kondensatorplatten zustande kommen. Die Leckstromfreiheit kann bei einer bestimmten Spannung und bei einer bestimmten Temperatur überprüft werden, woraus auf eine Leckstromfreiheit für eine lange Zeit unter Normalbedingungen geschlossen werden kann.

[0009] Günstigerweise kann der Rückkopplungswiderstand R_K komplementäre, als Testschaltmittel wirkende Transistoren umfassen, deren Gate-Elektroden mit der Testsignalquelle verbunden sind. Dadurch ist der Rückkopplungswiderstand durch Schalten der Transistoren mit dem von der Testsignalquelle gelieferten Testsignal einfach an- und abschaltbar.

[0010] Ferner ist es vorteilhaft, wenn die Testschalttransistoren jeweils zwischen den Verstärkertransistor und den Schalttransistor geschaltet sind. Dann bilden die Schalttransistoren am Ausgang der jeweiligen Inverterstufe in ihrem ausgeschalteten Zustand einen hochohmigen Widerstand, so daß die Gatekapazität der Testschalttransistoren nicht in die parallelgeschaltete Frequenzeinstellkapazität C1, C2 eingeht. Die Gatekapazität wird im leitenden Zustand durch die Kapazität zwischen der Gate-Elektrode und dem vorhandenen Kanal zwischen Drain- und Source-Zone gebildet. Da die Testschalttransistoren im Normalzutsand des Quarzoszillators immer leitend sind, weisen sie im Normalzustand auch immer eine Gatekapazität auf.

[0011] Auch ist es günstig, wenn der Widerstand R Teilwiderstände umfaßt, von denen jeweils einer hinter den Ausgang einer oder mehrerer Inverterstufen geschaltet ist. Da der Widerstand R für eine konstante Amplitude der Schwingung sorgt, muß dieser bei einer starken Frequenzänderung, welche durch Hinzuschalten verschiedener Kapazitäten entsteht, entsprechend angepaßt werden. Abhängig davon, wie stark die Kapazität durch Hinzuschalten von einzelnen Stufen geändert wird, kann hinter dem Ausgang einer jeden Inverterstufe oder hinter dem Ausgang einer Gruppe von Inverterstufen ein Teilwiderstand R_i geschaltet werden.

[0012] Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung ist die Anzahl der ersten und die Anzahl der zweiten Kapazitätsstufen jeweils größer, als die Anzahl der Inverterstufen, und es sind Schaltelemente derart vorgesehen, daß eine erste und eine zweite Kapazitätsstufe mit einem Steuersignal an- bzw. abschaltbar sind. Somit kann eine geeignete Anzahl von Kapazitätsstufen auch ohne Inverterstufen an- bzw. abgeschaltet werden. Dies ist für die Frequenzbereiche sinnvoll, in denen die Stabilität der Oszillatorschwingung durch eine Kapazitätsänderung nicht ungewünscht beeinträchtigt wird. Es können abwechselnd Kapazitätsstufen mit und ohne Inverterstufe an- bzw. abgeschaltet werden.

[0013] Im folgenden wird die Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert.

[0014] Es zeigen:

Fig. 1 ein erstes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Quarzoszillators,

Fig. 2 ein zweites Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Quarzoszillators,

Fig. 3 ein drittes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Quarzoszillators und

Fig. 4 ein Blockschaltbild, das eine den erfindungsgemäßen Quarzoszillator enthaltende Regelschleife darstellt.

[0015] Die Fig. 1 zeigt einen Quarzoszillator mit einem Schwingquarz 1 und einer Oszillatorschaltung 2. Die Oszillatorschaltung 2 ist auf einem Halbleiterchip in CMOS-Technologie integriert. Der Schwingquarz 1 befindet sich außerhalb des Halbleiterchips. Parallelgeschaltet zu dem Schwingquarz 1 sind n Grundzellen Z₁ ... Z_n, zu denen wiederum ein Rückkopplungswiderstand R_K parallelgeschaltet ist.

[0016] Jede der Grundzellen Z_i umfaßt zwei Kapazitäten C_1i, C_2i, welche zu dem Quarz 1 parallelgeschaltet sind, wobei jeweils ein Anschluß an das Massepotential angeschlossen ist. Zudem enthält jede Grundzelle Z_i eine zu dem Quarz 1 parallelgeschaltete Inverterstufe, zwei in Reihe geschaltete, mit einem festen Potential, der Betriebsspannung V_DD bzw. Masse, verbundene Verstärkertransistoren p_1i, n_1i. Mit diesen ist jeweils ein Schalttransistor p_2i, n_2i des gleichen Leitfähigkeitstyps in Reihe geschaltet. Am Ausgang der Inverterstufe ist ein Widerstand R_i angeschlossen. Die erste Kapazität C_1i ist über einen Schalter S_1i an die miteinander verbundenen Gate-Elektroden der Verstärkertransistoren p_1i und n_1i angeschlossen. Die zweite Kapazität C_2i ist über einen zweiten Schalter S_2i mit dem Widerstand R_i verbunden. Eine Steuersignalquelle 3 liefert Steuersignale I₁ ... I_n. Mit dem Steuersignal I_i werden jeweils die Schalter S_1i, S_2i der jeweiligen Grundzelle Z_i eingeschaltet. Gleichzeitig wird mit dem Steuersignal I_i der Transistor n_2i und mit dem dazu inversen Signal IQ_i der Transistor p_2i eingeschaltet. Dabei wird das Steuersignal I_i durch einen Inverter 5 zu dem Signal IQ_i invertiert.

[0017] Durch die Anzahl der geschlossenen Schalter S_1i, S_2i in den Grundzellen Z_i wird die wirksame Lastkapazität des Schwingquarzes 1 und damit die Resonanzfrequenz des Quarzoszillators bestimmt. Damit ein stabiles Schwingen bei einer bestimmten Resonanzfrequenz erreicht wird, muß die Transkonduktanz an die jeweilige Resonanzfrequenz angepaßt werden. Dies erfolgt dadurch, daß mit Hinzuschalten der Kapazitäten C_1i, C_2i gleichzeitig die Schalttransistoren p_2i, n_2i mit dem gemeinsamen Steuersignal I_i bzw. IQ_i eingeschaltet werden. Somit wird die jeweilige Inverterstufe und der dieser nachgeschaltete Widerstand R_i gleichzeitig mit den Kapazitäten hinzugeschaltet. Die Inverterstufe sorgt für eine geeignete Verstärkung bei der geänderten Resonanzfrequenz, der Widerstand R_i sorgt für eine konstante Amplitude der Schwingung. Die Größe des Widerstandes R_i wird abhängig von der Größe der Verstärkung der Inverterstufe und somit abhängig von den Kapazitätsstufen und der Dimensionierung der Verstärkertransistoren n_1i, p_1i gewählt.

[0018] Der Rückkopplungswiderstand R_K enthält zwei komplementäre Rückkopplungstransistoren p_rK und n_rK. Der Rückkopplungswiderstand R_K stellt den Arbeitspunkt der Grundzellen V_i ein. Die Schalter S_1i, S_2i können aus komplementären Transistoren bestehen, denen das Steuersignal I_i und das inverse Steuersignal IQ_i zugeführt wird.

[0019] Fig. 2 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Quarzoszillators. Gleiche Bezugszeichen, wie die in Fig. 1 verwendeten, beziehen sich auf die gleichen Teile des Quarzoszillators. Es werden daher im folgenden nur die Änderungen beschrieben. Die Inverterstufen der Grundzellen Z_i enthalten zwei weitere Testtransistoren von entgegengesetztem Leitungstyp p_ti, n_ti. Diese sind jeweils zwischen den Verstärkertransistor p_1i , n_1i und den Schalttransistor p_2i , n_2i vom gleichen Leitfähigkeitstyp in Reihe geschaltet. Die Gate-Elektroden der Testtransistoren p_ti, n_ti werden mit einem Signal T bzw. TQ, das von einer Testsignalquelle 6 geliefert wird, angesteuert. Die Testsignalquelle 6 ist ebenfalls mit dem Rückkopplungswiderstand R_K verbunden. Die Testsignale T, TQ steuern die Gate-Elektroden der Rückkopplungstransistoren p_rk und n_rk des Rückkopplungswiderstands R_K. Im Normalzustand liefert die Testsignalquelle 6 die Testsignale T und TQ so, daß die Testtransistoren p_ti, n_ti und die Rückkopplungstransistoren p_rk , n_rk leitend sind. Die Funktion des Oszillators in dem Normalzustand entspricht der Funktion des Oszillators aus Fig. 1. Im Testzustand liefert die Testsignalquelle 6 die Testsignale T und TQ so, daß die Testtransistoren p_ti, n_ni und die Rückkopplungstransistoren p_rk, n_rk nicht leitend sind. In diesem Fall sind die jeweiligen Inverterstufen stromlos und die Rückkopplung ist unterbrochen. Wenn die Kapazitäten C_1i und C_2i über die Schalter S_1i, S_2i eingeschaltet werden, können die Leckströme der Kapazitäten C_1i, C_2i ohne Einfluß der übrigen Schaltungselemente gemessen werden. Alternativ kann dieser Testzustand auch dadurch realisiert werden, daß die Leitungen mit dem Steuersignal I_i über eine Logikschaltung, z. B. einer OR-Schaltung, mit dem Testsignal T verbunden werden.

[0020] Die Widerstände R_i dieses Ausführungsbeispiels sind so dimensioniert, daß die Widerstände der Testtransistoren n_ti, p_ti in ihrem An-Zustand mitberücksichtigt sind. Die Widerstände R_i sind in Fig. 2 daher niederohmiger als in der Figur 1.

[0021] Fig. 3 zeigt einen Ausschnitt aus einem dritten Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Quarzoszillators. Die Elemente mit dem gleichen Bezugszeichen wie in Fig. 2 entsprechen den gleichen Elementen. Zur Vereinfachung und Übersichtlichkeit sind Steuersignalquelle, Betriebsspannungsquelle, Testsignalquelle und die entsprechenden Zuleitungen nicht dargestellt. Sie werden analog wie in Fig. 2 realisiert. In Fig. 3 sind mehrere Grundzellen Z₁, Z₂ ... Z_i zu einer Gruppe zusammengefaßt, bei denen ein Widerstand R₁ hinter den gemeinsamen Ausgang der Inverterstufen der Gruppe der Grundzellen geschaltet ist. Die Grundzellen Z_j ... Z_{j + n} bilden eine zweite Gruppe von Grundzellen, hinter deren Ausgang ein Widerstand R_j geschaltet ist. Bei diesem Ausführungsbeispiel werden Aufwand und Fläche des IC's reduziert, da für eine bestimmte Anzahl von Grundzellen ein gemeinsamer Widerstand R₁, R_j verwendet wird.

[0022] Fig. 4 zeigt ein Blockschaltbild in dem der erfindungsgemäße Quarzoszillator in einer Regelschleife betrieben wird. Der Schwingquarz 1 befindet sich außerhalb des IC's, alle anderen Elemente sind auf dem IC integriert. Das Ausgangssignal der Oszillatorschaltung 2 wird einer Vergleichseinrichtung 7 zum Frequenzvergleich mit einem Referenzsignal aus einer Referenzfrequenzquelle 8 zugeführt. Das Ausgangssignal der Vergleichseinrichtung 7 ist abhängig von dem Unterschied der Frequenzen des Ausgangssignals der Oszillatorschaltung und der Referenzfrequenzquelle 8. Abhängig von dem Ausgangssignal der Vergleichseinrichtung 7 wird in der Steuersignalquelle ein digitales Signal erzeugt, das der Oszillatorschaltung 2 zugeführt wird. Dieses Signal bestimmt, welche der Kapazitäten C_1i, C_2i zu- oder abgeschaltet werden. Dadurch wird entsprechend die Frequenz der Oszillatorschaltung 2 geändert. Diese Regelung erfolgt so lange, bis die Vergleichseinrichtung 7 Frequenzübereinstimmung von dem Ausgangssignal der Oszillatorschaltung 2 und dem Ausgangssignal der Referenzfrequenzquelle 8 mißt. Ist dieser Wert erreicht, wird die Frequenz der Oszillatorschaltung festgehalten. Die Testsignalquelle 6 ist in diesem Fall in den Normalzustand geschaltet. Sie wird lediglich zum Testen der Leckstromfreiheit der Kapazitäten in den Testzustand umgeschaltet.

Ansprüche

1. Digital einstellbarer Quarzoszillator mit einer monolithisch integrierten Oszillatorschaltung (2),

die eine zu dem Schwingquarz parallel geschaltete Serienschaltung mit einer ersten und einer zweiten Frequenzeinstellkapazität C1, C2, von denen zumindest eine digital schaltbar ist, und

eine zu dem Schwingquarz (1) parallel geschaltete Inverterschaltung mit einem parallel geschalteten Rückkopplungswiderstand R_K und einem hinter den Ausgang der Inverterschaltung geschalteten Widerstand R enthält,
dadurch gekennzeichnet,

daß die Inverterschaltung zueinander parallel geschaltete Inverterstufen, die erste Kapazität zueinander parallel geschaltete Kapazitätsstufen (C_1i) und die zweite Kapazität C2 zueinander parallel geschaltete zweite Kapazitätsstufen C_2i umfaßt, und Schaltelemente (S_1i, S_2i, p_2i, n_2i) derart vorgesehen sind, daß jeweils eine Inverterstufe und eine erste und zweite Kapazitätsstufe (C_1i, C_2i) mit einem Steuersignal (I_i) gleichzeitig an- bzw. abschaltbar sind.

2. Quarzoszillator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Inverterstufe jeweils zwei in Reihe geschaltete, jeweils mit einem festen Potential verbundene Verstärkertransistoren (p_1i, n_1i) von entgegengesetztem Leitfähigkeitstyp enthält, mit denen jeweils ein als Schaltelement wirkender Schalttransistor (p_2i, n_2i) des gleichen Leitfähigkeitstyps in Reihe geschaltet ist.

3. Quarzoszillator nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß in den Inverterstufen jeweils in Reihe mit dem Verstärkertransistor (p_1i, n_1i) und dem Schalttransistor (p_2i, n_2i) eines Leitfähigkeitstyps ein weiterer Testschalttransistor (p_ti, n_ti) des gleichen Leitfähigkeitstyps geschaltet ist, und eine Testsignalquelle derart angeordnet ist, daß mit einem von dieser gelieferten Testsignal die Schalttransistoren (p_2i, n_2i) in den leitenden oder nichtleitenden Zustand schaltbar sind, und gleichzeitig der Rückkopplungswiderstand R_K über Testschaltmittel zu- oder abschaltbar ist.

4. Quarzoszillator nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Rückkopplungswiderstand R_K ein Paar komplementärer, als Testschaltmittel wirkender Transistoren (p_rK, n_rK) umfaßt, deren Gateelektroden mit der Testsignalquelle (6) verbunden sind.

5. Quarzoszillator nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Testschalttransistoren (p_ti, n_ti) jeweils zwischen Verstärkertransistor (p_1i, n_1i) und den Schalttransistor (p_2i, n_2i) geschaltet sind.

6. Quarzoszillator nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Widerstand R Teilwiderstände (R_i) umfaßt, von denen jeweils einer hinter den Ausgang einer oder mehrerer Inverterstufen geschaltet ist.

7. Quarzoszillator nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Anzahl der ersten und die Anzahl der zweiten Kapazitätsstufen (C_1i, C_2i) jeweils größer ist als die Anzahl der Inverterstufen, und daß Schaltelemente (S_1K, S_2K) derart vorgesehen sind, daß eine erste und eine zweite Kapazitätsstufe (C1_K, C_2K) mit einem Steuersignal (I_K) an- bzw. abschaltbar sind.

Zeichnung